【正文】 操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文目 錄1引言 1 課題背景 1 國內外研究現狀 1 1 12系統(tǒng)分析 1 1 2 3 5 63系統(tǒng)總體設計 7 7 84 系統(tǒng)詳細設計 1 1 4 4 9 14 20 215 系統(tǒng)測試 24 24 24 24結論 34致謝 35參考文獻 36附錄 1防災科技學院畢業(yè)設計1引言 課題背景隨著科技的不斷進步，人類生活中的各個方面都在走向簡單，科技能幫助人類更加輕松的完成想要完成的事情。這涉及到整個人類社會的各個方面，課堂教學就是其中之一?，F如今的課堂教學相較以前，變得更加“形象”。隨著教學理念的改變，以前傳統(tǒng)教學模式中，“知識加工”和“問題解決”的思考過程等不可見的環(huán)節(jié)已經被改變。教師們開始利用科技技術與相關設備，引入ppt，視頻，flash等手段，將不可見的，枯燥的理論加以轉換，變?yōu)榭梢暤漠嬅鎇1]。讓學生從關注問題的“答案”，變?yōu)槔斫狻按鸢傅纳蛇^程”。從而增加教學的質量，減少學生的學習壓力。其中，針對教學內容制作的教學輔助演示系統(tǒng)，更是能幫助老師和學生的一種方法。 國內外研究現狀目前在歐美等發(fā)達國家，針對教學內容制作的教學輔助演示系統(tǒng)有很多。如在計算機方面，化學方面，物理方面等。老師使用相當普及。在國內，這種專門針對教學內容的輔助演示系統(tǒng)還不是特別多。如果能加以推廣，會更加方便課堂教學[2]。在高校教學中常常會遇到許多生澀抽象的課程，這些課程的學習往往讓學生難以理解，加大教師的教學難度，這種現象在計算機專業(yè)尤為明顯。目前在高校教學中往往采用ppt，視頻，flash等手段來增加授課效果，使教學過程更加生動形象，但這些并不能完全滿足于日常教學，這在操作系統(tǒng)這門學科中尤為突出。所以開發(fā)一個操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)來輔助操作系統(tǒng)教學是很有必要的。 設計一個針對操作系統(tǒng)學科的操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)，以Microsoft Visual Studio2013和cocos code ide為編譯器，采用c和lua語言來進行編譯。系統(tǒng)由5個模塊組成，功能如下：（1）進程控制模塊：進程的創(chuàng)建（可以分為自動創(chuàng)建、手動創(chuàng)建）、進程的撤銷、進程狀態(tài)的變化、進程間的祖先關系、進程對各類資源的使用情況等。（2）進程調度模塊：需要實現先來先服務、短作業(yè)優(yōu)先、高響應比調度算法。（3）進程同步模塊：生產者消費者問題，哲學家進餐問題。（4）進程通信模塊：實現共享內存、消息隊列和管道通信三種通信方式。（5）死鎖避免模塊：實現銀行家算法。系統(tǒng)的特點要求操作界面清晰美觀。使用者操作起來簡單，容易上手。系統(tǒng)的功能要求實用，不繁瑣。682系統(tǒng)分析對于可行性分析[4]，我從技術、經濟、使用和法律4個方面著手。用最小的代價，最短的時間，確定操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)的目標和規(guī)模是否可行，是否能解決問題。本系統(tǒng)選擇的編譯語言是c和lua。因為該系統(tǒng)為可視化的界面系統(tǒng)。所以用c和lua來編譯會比較簡單，適合。這兩種語言均為時下最流行的高級程序設計語言之一。擁有編譯簡單，方便，可靠，安全，可移植性，靈活等優(yōu)點。所以該系統(tǒng)在技術上是可行的。本系統(tǒng)的開發(fā)編譯器軟件是Visual Studio 2013和cocos code ide。這兩個軟件在微軟的官方網站能夠下載到免費的試用版本。而編譯語言也是開放的。因此，該系統(tǒng)的開發(fā)成本基本為零，投入的只有人力成本和硬件成本。這兩者也基本可以忽略不計。因為本系統(tǒng)沒有了平臺的限制，所以系統(tǒng)的獨立性很高，與其他的系統(tǒng)相比，前期投入的資金和精力較少，讓開發(fā)變得簡單。能用較小的成本，達到預期中的要求。而系統(tǒng)對于運行環(huán)境沒有要求，不會因為軟硬件的限制了增加成本，只需要利用現有的計算機設備即可。所以該系統(tǒng)在經濟上是可行的。本系統(tǒng)在操作難易程度上并不復雜，可以說相當簡單。操作界面簡潔明了，附有專門的使用說明，使用者能輕松上手，無需專門訓練了解。所以該系統(tǒng)在使用上是可行的。本系統(tǒng)全部采用的是開源軟件，可以在網絡上輕松獲得認證，不管被用于任何用途都不會出現法律問題。所以該系統(tǒng)在法律上是可行的。綜上所述，操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)在技術、經濟、使用、法律4個方面均為可行。目標和規(guī)模已經明確。該系統(tǒng)的開發(fā)是可行的。在系統(tǒng)的可行性分析階段，已經證明了系統(tǒng)開發(fā)平臺和系統(tǒng)本身的可行性。接下來為了明確系統(tǒng)設計的目標，我將對系統(tǒng)進行需求分析。高校教學中常常會遇到許多生澀抽象的課程。這些課程的學習往往讓學生難以理解，加大教師的教學難度，這種現象在計算機專業(yè)尤為明顯。目前在高校教學中往往采用ppt，視頻，flash等手段來增加授課效果,使教學過程更加生動形象,但這些并不能完全滿足于日常教學。操作系統(tǒng)的實際教學中很難用ppt等來直觀可視化地演示進程管理各部分的工作原理。所以，開發(fā)一個操作系統(tǒng)進程管理演示系統(tǒng)，通過可視化教學的方式來輔助操作系統(tǒng)教學是很有必要的。(1) 實用性：系統(tǒng)要符合用戶制定的需求，功能要符合用戶的使用習慣和使用要求。系統(tǒng)界面要簡潔，方便，直觀。(2) 可維護性：使用者對系統(tǒng)的功能可以清晰的了解，并簡單的使用該系統(tǒng)。根據需求，在系統(tǒng)上能輕松的進行維護。并且在功能的設計上還將考慮系統(tǒng)的可擴展性，根據需求的改變增加功能。(3) 安全性：制作完成的系統(tǒng)要保證系統(tǒng)運行時所用到的各類信息的使用安全。防止使用人信息泄露。(4) 可移植性：系統(tǒng)開發(fā)結束后，需要能夠在時下主流的所有操作系統(tǒng)所構成的環(huán)境中正常使用。本系統(tǒng)的設計的目的是方便教師的課堂教學，提高課堂的教學效果。同時,也可以讓學生能更好的理解教學內容,幫助學生建立進程管理部分的整體概念，提高學習效率。具體來說,本系統(tǒng)將會實現以下目標：（1）進程控制模塊：進程的創(chuàng)建（可以分為自動創(chuàng)建、手動創(chuàng)建）、進程的撤銷、進程狀態(tài)的變化、進程間的祖先關系、進程對各類資源的使用情況等。（2）進程調度模塊：需要實現先來先服務、短作業(yè)優(yōu)先、多級反饋隊列、時間片輪轉、高響應比調度算法。（3）進程同步模塊：利用多線程技術編寫生產者消費者問題，哲學家進餐問題、讀者寫者問題。（4）進程通信模塊：實現共享內存、消息隊列和管道通信三種通信方式。（5）死鎖避免模塊：實現銀行家算法，能夠計算銀行家算法。 Lua語言1993年，巴西里約熱內盧天主教大學的三名教授在多日的努力后創(chuàng)造了一門新的編程語言。這門語言就是時下最為火熱的編程語言之一——Lua語言[5]。Lua是西班牙語里的單詞，意思是美麗的月亮。這正是創(chuàng)造者們對它的期望，希望它成為一門簡單，美妙，有趣不乏味的編程語言。Lua語言設計者的初衷是制作一門大多數人都能使用的腳本語言，它具有良好的嵌入性，方便切入到其他應用程序中。所以它的設計原則就是四點：簡單，小巧，具有可移植性、編譯快速。語言的實現是運用ANSIC編寫的，是將整個C程序庫嵌入到所需要的程序中。Lua語言發(fā)展到今天，已經更新了多個版本，版本一直遵循著開源的傳統(tǒng)原則，方便了廣大的程序員。Lua語言在多個領域都有著廣泛的應用，例如游戲開發(fā)、智能機器人、圖像圖形的處理等等。其中以游戲開發(fā)是最多的一個。許多著名的游戲，比如魔獸世界的插件、仙劍奇?zhèn)b傳五、憤怒的小鳥、部落沖突等都是使用Lua語言來進行編寫的。配合著相應的游戲引擎，實現所需要的命令。Lua是一個輕量級腳本語言，也是一種便于嵌入目標程序的語言。Lua讓C/C++編寫的代碼調用Lua腳本，同時C/C++函數也能夠在 Lua 腳本中調用。與 C/C++代碼的交互性，讓 Lua在應用程序開發(fā)中有著廣泛的應用基礎。很多應用程序使用 Lua 作為自己的嵌入式腳本語言，以此來實現可配置性、可擴展性。 Microsoft Visual Studio 簡介Microsoft Visual Studio[6]（簡稱VS）是由美國Microsoft公司開發(fā)并發(fā)布的整合了多種編譯語言的編譯器。Microsoft Visual Studio是一個基本完整的開發(fā)工具集，它包括了整個軟件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)等等。所寫的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺，包括Microsoft Windows、Windows Mobile、Windows CE、.NET Framework。Visual Studio是時下最流行的基于Windows平臺的集成開發(fā)環(huán)境。隨著版本更新，VS已經擁有了多個版本，最新版本為2015版。Microsoft Visual Studio 2013是Microsoft公司于2013年發(fā)布的Microsoft Visual Studio版本。新增了許多功能，如下：（1）代碼信息的指示；（2）團隊工作室（Team Room）；（3）身份識別；（4）.NET內存轉儲分析儀；（5）敏捷開發(fā)項目模板；（6）Git支持單元測試，也支持單元測試之上的測試； 進程調度問題 簡介進程調度[7]是進程管理中最基本的功能。它的功能是創(chuàng)建一個新的進程，當一個進程完成工作后將其停止?；蛘弋斠粋€進程因為某種事件無法運行時將其停止。還可以負責進程運行時的狀態(tài)轉換。例如，當一個正在執(zhí)行的進程因為某個事件導致無法繼續(xù)運行，則需要將它的狀態(tài)轉換為阻塞狀態(tài)；而當合適的事件出現，導致該進程能夠運行時，又將該進程的狀態(tài)轉換為就緒狀態(tài)。 生產者消費者問題 簡介生產者消費者問題[8] (producerconsumer)屬于進程同步問題。它描述的問題是：現有許多生產者（producer）進程正在生產所需要的產品。又有許多消費者（consumer）進程，它們會去消費掉生產者生產的產品。如果生產者進程和消費者進程想要同時進行的話，那么在兩者之間就必須設置一個擁有許多緩沖區(qū)的緩沖池。生產者進程會將它生產的產品放入其中一個緩沖區(qū)中。而消費者進程會從這個緩沖區(qū)拿走它所需要的產品。盡管所有的生產者進程和消費者進程都是在執(zhí)行各自的任務。但是兩者之間也有著相對的聯系。因為如果緩沖區(qū)是空的，那么消費者進程是無法從中取得產品的；同時如果緩沖區(qū)滿了，那么生產者進程也無法向其中投放產品。 哲學家進餐問題 簡介哲學家進餐問題問題[9]（The Dinning Philosophers Problem）屬于進程同步問題，它的發(fā)明者叫做Dijkstra。它描述的問題是：現有5個哲學家，他們有著一張圓形桌子，并且均勻的坐在桌子邊。他們的生活就是思考和吃飯。他們兩兩之間都有一支筷子，當他們拿起身邊的兩支筷子時，他們就可以吃飯了。但是，當有一人吃飯時，這人旁邊兩位就不能吃飯了，因為他們沒有筷子。吃飯完成后，筷子會放回原處。 讀者先寫問題 簡介讀者先寫問題[10]（ReaderWriter Problem）是指保證一個Writer進程必須與其他進程互斥地訪問共享對象的同步問題。一個數據文件或者記錄，可以被多個進程共享。我們把只要求讀這個文件的進程叫做“Reader進程”，其他進程則稱為“Writer”。允許多個進程同時讀一個共享對象，因為讀操作不會使數據文件變得混亂。但是不允許一個Writer進程和其他Reader進程或Writer進程同時訪問共享對象，因為這種訪問會引起混亂。 死鎖問題 簡介死鎖[11]（Deadlock）是指當有多個進程同時在運行時，進程之間會進行資源的爭奪，呈現分庭對峙的情形。當發(fā)生這種對峙時，如果沒有其他的外力對其進行干預，進程們將無法繼續(xù)運行，程序卡死。引起死鎖的原因：（1）競爭資源。系統(tǒng)中擁有多種資源，如打印機，公用隊列，運行內存，CPU等。當進程所需要的資源量超出了系統(tǒng)所提供的資源量，就會引起進程爭奪資源，產生死鎖。（2）進程間推進順序非法。進程在運行的時需要有正確的請求和釋放資源的順序，當這個順序不正確的時候，就可能引起資源的不足，從而引發(fā)死鎖。 銀行家算法 簡介銀行家算法[12]是由Dijkstra設計完成的算法。它的作用是監(jiān)測資源的數量，從而得出結論是否會產生死鎖。該算法早期的作用是作為銀行系統(tǒng)現金貸款的發(fā)放的計算，所以因此得名。算法將進程的數據分為若干類型，分別為：可利用資源（Available）、最大需求矩陣（Max）、分配矩陣（Allocation）、需求矩陣（Need）。幾者的關系為：需求矩陣[i,j]=最大需求矩陣[i,j]可利用資源[i,j] [13] 操作系統(tǒng)：Microsoft Windows 8中文版；內存：8G；硬盤：1T；開發(fā)軟件：Microsoft Visual Studio2013；cocos code ide ；開發(fā)語言：c、lua；系統(tǒng)的運行需要硬件的支持。為了保證本系統(tǒng)能夠流暢的目標硬件上可靠，效率的運行，最好保證該系統(tǒng)運行的環(huán)境為如下條件： 操作系統(tǒng)：Windows XP/7/8；內存：1G以上；硬盤：20G以上；編譯器：Microsoft Visual Studio2008以上版本；cocos code ide；3系統(tǒng)總體設計需要實現的功能如下：（1）進程控制模塊：可以是實現進程的創(chuàng)建（進程名，申請I/O數量，父進程， 執(zhí)行時間，申請內存大?。⑦M程的創(chuàng)建隊列顯示、進程狀態(tài)的顯示（活動就緒，靜止就緒，活動阻塞，靜止阻塞，執(zhí)行隊列）、進程狀態(tài)之間的互相轉換、進程對各類資源的使用情況等。（2）進程調度模塊：需要實現先來先服務算法、短作業(yè)優(yōu)先算法、多級反饋隊列算法、時間片輪轉算法、高響應比調度算法。（3）進程同步模塊：利用Lua語言編寫生產者消費者問題，哲學家進餐問題、讀者寫者問題。將問題制作成相應的可視化動畫界面，展示三個問題。例如:生產者消費者問題，分別制作一個生產池，緩沖池，消費池，將進程用產品圖片代替，通過圖片的增減來體現問題的實質。（4）進程通信模塊：實現共享內